現代自動車は単純な交通手段から人類の需要と安全、快適、便利、汚染のない方向に発展している。これらの目標を実現する鍵は自動車の電子化と知能化にあり、前提条件は各種情報のタイムリーな取得であり、自動車に各種センサーを大量に採用する必要がある。従来のセンサーは体積と重量が大きく、コストが高いことが多く、自動車への応用が大きく制限されている。

ここ数年、半導体集積回路（IC）技術から発展したマイコン電気システム（MESM）技術が成熟しつつある。マイクロセンサは現在成功し実用性のあるマイクロ電気機械デバイスであり、主にマイクロフィルムの機械的変形を利用して電気信号出力を生成するマイクロ圧力センサとマイクロ加速度センサを含む、また、マイクロ温度センサ、磁場陳干起、ガスセンサなどもあり、これらのマイクロセンサの面積は1 mm 2以下が多い。マイクロ電子加工技術、特にナノ加工技術のさらなる発展に伴い、センサ技術はマイクロセンサからナノセンサへと進化する。これらのマイクロセンサは体積が小さく、多くの新しい機能を実現でき、大量量と高精度生産に便利で、単品のコストが低く、大規模かつ多機能アレイを構成しやすい、これらの特徴はそれらを自動車方面の応用に非常に適させる。

　　1、自動車用センサーの分類

自動車用センサは、自動車の表示や電気制御システムに用いられる各種センサの総称である。それは多くの物理量センサーと化学量センサーに関連している。これらのセンサーは運転手に自動車の各部分の状態を理解させるものであるか、あるいは自動車の各部の状態を制御するためのものである。自動車における役割に応じて、エンジンの制御、シャーシの制御、および運転者に各種情報を提供するためのセンサに分けることができ、これらのセンサを構成する材料は、ファインセラミックス、半導体材料、光ファイバ、および高分子フィルムなどである、出力特性に応じてアナログ型センサとデジタル型センサがあり、構成原理によって、構造型、靭性型、複合型がある。便宜上、表1に示すように、自動車センサの制御対象別に分類する。

　　2、自動車におけるマイクロセンサの応用

自動車に使われるセンサーの種類は多く、応用の面では広い。次に、自動車エンジン制御、安全システム、車両監視と自己診断などにおけるセンサの応用を紹介する。

2.1自動車エンジン制御用センサ

エンジンの電子制御は、自動車におけるMEMS技術の主要な応用分野の一つと考えられてきた。エンジン制御システム用センサは自動車センサ全体の核心であり、温度センサ、圧力センサ、位置と回転数センサ、流量センサ、ガス濃度センサ、ノッキングセンサなどを含む種類が多い：これらのセンサはエンジンの電子制御ユニットにエンジンの動作状況情報を提供し、電子制御ユニットがエンジンの動作状況を制御し、エンジンの動力性を高め、燃費を下げ、排気ガス排出量を減らし、故障検出を行うために提供する。

（1）温度置換センサ

自動車用温度センサは主にエンジン温度、吸入ガス温度、冷却水温度、燃料温度及び触媒温度などを検出するために用いられる。温度センサーにはサーミスタ式、ワイヤ巻線抵抗式、熱偶抵抗式の3種類の主なタイプがある。この3種類のセンサにはそれぞれ特徴があり、その応用場面にも少し手引きがある。サーミスタ式温度センサは感度が高く、応答特性が良いが、線形が悪く、適応温度が低い。そのうち、汎用型の測温範囲は−50〜30℃、精度は1.5%、応答時間は10 ms、高温型は600〜1000 cC、精度は5%、応答時間は10 ms、線巻き抵抗式温度センサの精度は高いが、応答特性は悪い、熱対抵抗式温度センサは精度が高く、測定温度範囲は広いが、増幅器と冷端処理を組み合わせて使用する必要がある。他の実用化された製品としては、フェライト式温度センサ（温度測定範囲は−40〜120℃、精度は2.0%）、金属または半導体膜空気温度センサ（温度測定範囲は−40〜150℃、精度は2.0%、5%、応答時間は約20 ms）などがある。

（2）圧力センサ

圧力センサは自動車に多く用いられるセンサであり、主にエアバッグのガス貯蔵圧力、伝動システムの流体圧力、燃料注入圧力、エンジンオイル圧力、吸気ダクト圧力、エアフィルタシステムの流体圧力などを検出するために用いられる。目下。自動車用圧力センサーの開発と生産に力を入れている主な会社はモトローラ、デコ電子機器、LucasNovasensor，HiStat，NipponDenzo，シーメンス、テキサス計器など。

比較的によく使われる自動車の圧力センサーには、容量式、圧力抵抗式、差動変圧器式、音響表面波式がある。容量式圧力センサは主に負圧、油圧、気圧の検出に用いられ、測定範囲は20〜100 kPaであり、その特徴は入力エネルギーが高く、動的応答特性が良く、環境適応性が良い、圧力抵抗式圧力センサの性能は温度の影響を大きく受け、温度補償回路を別途設置する必要があるが、大量生産に適応する、差動変圧器式圧力センサは大きな出力があり、デジタル出力がしやすいが、耐干渉性が悪い、音響表面波式圧力センサは体積が小さく、品質が軽く、消費電力が低く、信頼性が高く、感度が高く、分解能力が高く、デジタル出力などの特徴があり、自動車吸気弁の圧力検出に用いられ、高温で安定して動作することができる。

ドイツInfineon社が開発したスマートタイヤ圧力センサKPS 00の内部には圧力と温度センサモジュールが集積されており、センサモジュールに加速度センサを追加する必要はなく、自動車の起動時に自動的に電源を入れて自己検査に入ることができ、圧力、温度、電圧などを測定することができる。すべての機能は、表面マイクロ機械加工技術を用いて0.8μmのバイポーラ相補型金属酸化物半導体（BiCMOS）に集積されている。各センサモジュール内の電気的消去可能プログラマブル読み出し専用メモリに格納された32ビットチップ識別コード。チップ識別コードは、同期シリアルインターフェースによって読み出すことができ、また、各タイヤ圧力センサの位置を識別するために使用することができる。データを受信するときは、まず、チップ識別コードをチェックし、チップ識別コードが一致していないことが分かったら、受信したデータフレームを破棄します。

（3）流量センサ

流量センサは主にエンジンの空気流量と燃料流量の測定に用いられる。吸気量は燃料噴射量計算の基本パラメータの一つである。空気流量センサの機能：空気流量の大きさを感知し、電気信号に変換してエンジンの電子制御ユニットに伝送する。空気流量の測定は、エンジン制御システムによる燃焼条件の決定、空燃比の制御、始動、点火などに用いられる。空気流量センサには、回転翼片式、カルメン渦式、式、熱膜式の4種類がある。空気流量センサの主な技術指標：動作範囲は0.11〜103 m 3/min、動作温度は−40〜120℃、精度は≦1%である。燃料流量センサは燃料流量を測定するために用いられ、主に水車式と循環球式があり、その動態範囲は0～60 kg/hで、動作温度は-40～12℃、精度は±1%、応答時間 lt、10 msである。

Honeywellの傘下マイクロスイッチ（microswitch）社は熱微細加工技術を用いてマイクロブリッジ空気流量センサチップを作製し、それは微細加工技術を用いてシリコンウエハ上にキャビティを加工し、白金抵抗がキャビティ上にぶら下がっている。デバイスに空気が流れると、空気の流れ方向下方から上方への熱伝送が発生するため、下方抵抗が冷却され、上方抵抗が加熱され、ブリッジ抵抗変化により空気流量を測定することができる。

（4）位置及び回転速度センサ

クランク軸位置と回転数センサは主にエンジンのクランク軸回転角、エンジン回転数、スロットルバルブの開度、車速などを検出し、点火時刻と油噴射時刻に基準点信号を提供するとともに、エンジン回転数信号を提供する。現在、自動車に使用されている位置と回転速度センサーは主に交流発電機式、磁気抵抗式、ホール効果式、チップスイッチ式、光学式、半導体磁性トランジスタ式などがあり、その測定範囲は0°〜360°で、精度は±0.5°より優れ、測定曲げ角は±0.1°に達した。

車速センサーは種類が多く、敏感な車輪が回転するものもあれば、敏感な動力伝達軸が回転するものもあれば、敏感な差速従動軸が回転するものもある。車速が100 km/hより高い場合、一般的な測定方法の誤差は大きく、非接触式光電速度センサを採用する必要があり、速度測定範囲は0.5 ~ 250 km/h、繰り返し精度は0.1%、距離測定誤差は0.3%より優れている。

（5）ガス濃度センサ

ガス濃度センサは主に車体内のガスと排気ガスの排出を検出するために用いられる。その中で、主な酸素センサは、自動車排気ガス中の酸素含有量を検出し、排気ガス中の酸素濃度に基づいて空燃比を測定し、マイクロコンピュータ制御装置にフィードバック信号を送り、空燃比が理論値に収束するように制御する。一般的に用いられるのは酸化ゲルマニウムセンサ（使用温度は−40〜900℃、精度は1%）、酸化クロム濃差電池型ガスセンサ（使用温度は300〜800℃）、固体電解貢ぎ式酸化クロムガスセンサ（使用温度は0〜400℃、精度は0.5%）であり、また、二酸化チタン酸素センサ及び二酸化ジルコニウム酸素センサである。酸化ゲルマニウムセンサと比較して、二酸化チタン酸素センサは構造が簡単で、軽量で、安価で、鉛汚染に強い特徴がある：二酸化ジルコニウムマイクロイオンセンサは酸化カルシウム安定化ジルコニウムイオン、多孔質白金厚膜作動電極、パラジウム/酸化パラジウム厚膜パラメータ電極、不透水層、電極接触と保護層から構成される。ここで、酸化カルシウム安定化ジルコニアは反応性スパッタリング法により堆積される。作業電極と参照電極はいずれも厚膜プロセスで作製した。理想的なA/F点付近の出力電圧は急変し、空燃比が高くなり、排気ガス中の酸素濃度が増加すると、酸素センサの出力電圧は減少する、空燃比が低くなり、排気ガス中の酸素濃度が低下すると、酸素センサの出力電圧が増大する。電子制御ユニットは、この突然変異信号を識別し、噴射量を補正することにより、それに応じて理想空燃比付近で変動するように空燃比を調整する。

（6）ノックセンサ

ノックセンサは、エンジンの振動を検出し、点火進角を調整することによってエンジンのノック発生を制御し、回避するために使用される。エンジンパワーを最大限に発揮してノッキングを発生させないためには、点火進角はノッキング発生の臨界値に制御されなければならず、エンジンがノッキングを発生させると、センサはノッキングによる振動を電気信号に変換し、電子制御ユニットに伝達する。ノッキングを検出するには、シリンダ圧力、エンジン本体の振動、燃焼ノイズを検出する3つの方法がある。ノッキングセンサには磁歪式と圧電式がある。磁歪式ノックセンサの使用温度は−40〜125℃、周波数範囲は5〜10 kHz、圧電式ノックセンサは中心周波数5.417 kHzにおいて、その感度は200 mV/gnに達することができ、振幅は0.1〜l 0 gnである。範囲内に良好な線形性がある。

（7）スロットル位置センサ

スロットル位置センサはスロットルバルブに取り付けられ、エンジンのスロットルバルブの開度信号を電気信号に変換し、エンジンの負荷の大きさと加減速モードを感知するために電子制御シートに伝達する機能を有する。一般的に使用されているのは可変抵抗式スロットル位置センサです。このセンサは典型的なスロットルバルブセンサであり、主に線形変位器とアイドル接点の2つの部分から構成されている。抵抗変位器はセラミック薄膜抵抗で作られ、摺動接点はリターンスプリングで制御され、スロットルバルブと同軸に回転する。動作時には、線形変位器の接点が抵抗体を摺動し、変化する抵抗値に基づいてスロットル開度に比例する線形出力電圧信号を測定することができる。出力電圧値に基づいて、電子制御ユニットはスロットルバルブの開度と開度変化率を知ることができ、それによってエンジンの運転状況を判断し、制御精度と効果を高めることができる。アイドル信号摺動接点は常開接点であり、スロットル全閉時にのみ閉じ、アイドル接点信号を発生し、主にアイドル制御、オイルカット制御及び点火進角の補正に用いられる。

2.2安全システム面用センサ

安全は自動車の考慮の第一の要素であり、安全のためのセンサも多く、例えば自動車エアバッグのためのマイクロ加速度計、角速度を測定する表面マイクロ機械ジャイロなどがある。

（1）微加速度センサ

エアバッグは現在、そして将来的にはMEMSj誕生の主要な応用でもある。使用するシリコン加速度計のレンジは一般的に50 gnである。モトローラ社のような体微細加工技術で作られたシリコン加速度センサのような古いものがある。

スウェーデンのHenrikらは、6 mm×4 mm×l.4 mmの外形構造パラメータを有する新しいシリコンマイクロ三軸加速度計を報告し、4つの敏感質量ブロック、4つの独立した信号読出電極、4つの参照電極を有する。それは敏感梁がその厚さ方向に非常に小さな剛性を持ち、加速度を敏感にすることができ、他の方向には相対的に剛性が大きく、加速度を敏感にすることができない構造特徴を巧みに利用している。加速度計の断面において、異方性腐食の結果、感受性梁の厚さ方向は加速度計の法線方向（z軸）と35.26°（tan 35.26°=0.707）となった。

（2）表面マイクロメカニカルジャイロ

伝統的なジャイロスコープは高速回転するロータ、内輪、外輪、台座から構成されており、このジャイロスコープの内外輪は通常ボールベアリングで支持されており、これらは通常機械加工方法で作られており、加工精度が高く、難易度が高く、しかも、作られたジャイロスコープは体積が大きく、質量が重い必要がある。マイクロメカニカルジャイロは、複雑な検出及び制御回路を有するMEMS装置である。SaidEmreAlperらは構造対称性を持ち、デカップリング特性を持つ表面マイクロメカニカルジャイロを報告した。この感受性構造は、その外側の4つの角に支持「アンカー」を設置し、従来の直接支持「アンカー」上の実現方法とは異なり、対称構造感受性質量ブロックを用いて接続梁に支持し、駆動電極と感受性電極を梁を介して有機的に接続している。マイクロデバイスシミュレーションパッケージ（MEMCAD）を用いてシミュレーション分析したところ、2方向の振動は互いに影響しないため、このような接続方式は機械的結合を考慮する必要はないことが分かった。

このマイクロメカニカルジャイロの平面外輪郭の構造パラメータは1 mm 2であり、厚さはわずか2/μmである。その動作原理は：敏感質量ブロックに直流バイアス電圧を印加し、可動フォーク指と固定フォーク指の間に適切な交流励起電圧を印加すると、敏感質量ブロックはy軸方向に固有振動を発生する。ジャイロがZ軸周りの角速度を感じると、コルゲート効果により、敏感質量ブロックはX軸に沿った追加の振動を発生する。追加振動の振動振幅を測定することで測定された角速度を得ることができる。通常の大気の場合、この敏感な結果は0.37°/sによる分解能力を有する。

2.3車両監視・自己診断用センサ

車両監視と自己診断の面で、MEMS技術の主要な応用はタイヤ圧力監視である、次に、冷却やブレーキなどのシステムに応用されているセンサーです。また、例えば輝度制御システムにおいて光センサを使用する場合、電子運転システムにおける磁気センサ、気流速度センサの使用、自動空調システムには、室内温度センサ、吸気温度センサ、風量センサ、日照センサ、湿度センサ、ガイド走行システムには方位センサ、車速センサなどが用いられる。

2.4自動車における高温マイクロエレクトロニクスの応用

高温マイクロ電子は自動車エンジン制御、シリンダと排気管、電子サスペンションとブレーキ、動力管理と分配などの監視において非常に重要な役割を果たしている。例えば、エンジン制御用の高温マイクロエレクトロニクスセンサとコントローラは、燃焼のより良い監視と制御に役立ち、燃焼のより*、燃焼効率を高めることができます。しかし、従来のシリコン半導体技術で作製されたマイクロエレクトロニクスデバイスは、高い温度で動作しないため、もはや適任ではない。高温環境下での温度測定問題を解決するためには、従来の半導体材料の代わりに新しい材料を開発しなければならない。第3世代ワイドバンド半導体材料SiCは、高破壊電界、高飽和電子ドリフト速度、高熱伝導率及び耐照射能力が高いなどの一連の利点を有し、特に高温、高圧、高出力、耐照射などの半導体装置の作製に適している。統合されたSiCセンサは高温タンクと排気管に直接接触することができ、これにより、燃料燃焼効率と排気ガス排出削減に関するより多くの情報を得ることができる。研究により、SiC半導体技術が材料、パッケージなどの技術を解決してさらに発展すれば、SiCパワーデバイスの動作範囲は従来のシリコンパワーデバイスを超え、しかも、その体積はSiパワーデバイスよりも小さいことが明らかになった。

　　3、おわりに

自動車の電子制御システムにおける自動車センサの重要な役割と急速に成長する市場需要のため、世界各国はその理論研究、新材料応用、新製品開発を非常に重視している。将来の自動車用センサー技術は、全体的な発展傾向はマイクロ化、多機能化、集積化、インテリジェント化である。

MEMS技術に基づくマイクロセンサは、従来の電気機械技術に基づくセンサの代わりに、自動車の電子システムコストを削減し、性能を向上させる上での優位性を高め始めている。ナノテクノロジーの進歩に伴い、体積が小さく、コストが低く、機能がより強いマイクロセンサーが自動車の各方面に広く応用される。今後数年以内に、エンジンの運行管理、排気ガスと空気品質制御、ブレーキアンチロックシステム、車両動力学制御、適応ナビゲーション、車両走行安全システムを含む応用はMEMS技術に広大な市場を提供する。